Protonendonatoren und Protonenakzeptoren - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 9-10, G-Niveau

Protonendonatoren und Protonenakzeptoren - Chemie

Einleitung

Bei einer Säure-Base-Reaktion nach Brønsted wird ein Proton von einem Teilchen auf ein anderes übertragen. Das Teilchen, das ein Proton abgibt, heißt Protonendonator oder Brønsted-Säure. Das Teilchen, das ein Proton aufnimmt, heißt Protonenakzeptor oder Brønsted-Base.

Du lernst in diesem aiMOOC, Säuren und Basen nach ihrer Funktion zu unterscheiden, Protonenübertragungen zu erkennen und korrespondierende Säure-Base-Paare zu bestimmen.

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Die Grundidee nach Brønsted und Lowry

Johannes Nicolaus Brønsted und Thomas Martin Lowry formulierten 1923 unabhängig voneinander ein Säure-Base-Konzept. Entscheidend ist nicht nur, welcher Stoff vorliegt, sondern welche Rolle ein Teilchen in einer konkreten Reaktion übernimmt.

Protonendonator: Brønsted-Säure

Eine Brønsted-Säure kann mindestens ein Proton abgeben. Dabei entsteht ihre korrespondierende Base.

$\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{\rightleftharpoons }{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{A}}^{\mathrm{-}}$

Dabei steht $\mathrm{H}\mathrm{A}$ für die Säure und ${\mathrm{A}}^{\mathrm{-}}$ für ihre korrespondierende Base. Beispiele für Protonendonatoren sind Chlorwasserstoff $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$, Essigsäure $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$, das Ammoniumion $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}$ und in bestimmten Reaktionen auch Wasser.

Protonenakzeptor: Brønsted-Base

Eine Brønsted-Base kann ein Proton aufnehmen. Dabei entsteht ihre korrespondierende Säure.

$\mathrm{B}\mathrm{+}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{H}{\mathrm{B}}^{\mathrm{+}}$

Beispiele für Protonenakzeptoren sind Wasser ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$, Ammoniak $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$, das Hydroxidion $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$ und das Carbonation $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$.

Protonenübertragung und korrespondierende Paare

Eine vollständige Säure-Base-Reaktion braucht immer einen Donator und einen Akzeptor. Freie Protonen werden im Schulmodell nicht als dauerhafte Reaktionsprodukte betrachtet, sondern direkt auf ein anderes Teilchen übertragen.

$\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{+}\mathrm{B}\mathrm{\rightleftharpoons }{\mathrm{A}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{H}{\mathrm{B}}^{\mathrm{+}}$

Die Paare $\mathrm{H}\mathrm{A}/{\mathrm{A}}^{\mathrm{-}}$ und $\mathrm{B}/\mathrm{H}{\mathrm{B}}^{\mathrm{+}}$ unterscheiden sich jeweils genau um ein Proton. Sie heißen korrespondierende oder konjugierte Säure-Base-Paare. Die Protonenübertragung wird auch Protolyse genannt.

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Wichtige Beispiele

Chlorwasserstoff und Wasser

Chlorwasserstoff überträgt ein Proton auf Wasser:

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$

Zuordnung: $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$ ist der Protonendonator, ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$ der Protonenakzeptor. Die korrespondierenden Paare sind $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}/\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$ und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}/{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$.

Das Oxoniumion ${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$ entsteht, wenn ein Wassermolekül ein Proton aufnimmt.

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Ammoniak und Wasser

Ammoniak nimmt von Wasser ein Proton auf:

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

Zuordnung: $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$ ist der Protonenakzeptor, ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$ der Protonendonator. Die korrespondierenden Paare sind $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}/\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}$ und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}/\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$.

Wasser als Ampholyt

Wasser kann Protonen aufnehmen und abgeben. Ein solches Teilchen heißt Ampholyt. Bei der Autoprotolyse reagieren zwei Wassermoleküle miteinander:

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

Ein Wassermolekül wirkt als Säure, das andere als Base. Die Rolle ergibt sich also aus der jeweiligen Reaktion.

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So erkennst Du Donator und Akzeptor

1. Vergleiche die Teilchen vor und nach der Reaktion: Suche nach Teilchen, die sich um ein Proton unterscheiden.
2. Finde die Abgabe: Das Teilchen, das ein Proton verliert, ist der Protonendonator und damit die Säure.
3. Finde die Aufnahme: Das Teilchen, das ein Proton gewinnt, ist der Protonenakzeptor und damit die Base.
4. Bilde die Paare: Ordne Säure und korrespondierende Base sowie Base und korrespondierende Säure zusammen.

Merksatz: Säuren geben Protonen ab, Basen nehmen Protonen auf.

Typische Fehler

1. Säure nicht mit negativer Ladung verwechseln: Auch positiv geladene Teilchen wie $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}$ können Protonendonatoren sein.
2. Base nicht mit Hydroxid verwechseln: Eine Brønsted-Base muss kein Hydroxidion enthalten. Ammoniak ist ein wichtiges Beispiel.
3. Rolle statt Stoffname prüfen: Wasser kann je nach Reaktionspartner Säure oder Base sein.

Zusammenhang mit pH-Wert, Indikatoren und Neutralisation

Der pH-Wert beschreibt bei wässrigen Lösungen die Konzentration der Oxoniumionen. Saure Lösungen besitzen im üblichen Schulbereich einen pH-Wert unter 7, neutrale Lösungen ungefähr 7 und basische Lösungen über 7. Diese Einteilung gilt bei Raumtemperatur und ausreichend verdünnten wässrigen Lösungen.

Indikatoren zeigen durch einen Farbwechsel einen bestimmten pH-Bereich an. Sie machen sichtbar, ob eine Lösung sauer, neutral oder basisch reagiert.

Bei einer Neutralisation reagieren Oxoniumionen als Protonendonatoren mit Hydroxidionen als Protonenakzeptoren zu Wasser:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Eine Säure-Base-Titration nutzt diese Reaktion, um die unbekannte Konzentration einer Säure oder Base zu bestimmen.

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Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wie nennt man ein Teilchen, das ein Proton abgibt? (Protonendonator) (!Protonenakzeptor) (!Elektronendonator) (!Katalysator)

Wie nennt man eine Brønsted-Base? (Protonenakzeptor) (!Protonendonator) (!Neutronenakzeptor) (!Salzbildner)

Wie heißt eine Reaktion mit Protonenübertragung? (Protolyse) (!Elektrolyse) (!Hydrolyse) (!Oxidation)

Welches Teilchen ist bei der Reaktion von HCl mit Wasser der Protonendonator? (HCl) (!H2O) (!H3O+) (!Cl-)

Welches Teilchen entsteht, wenn Wasser ein Proton aufnimmt? (Oxoniumion) (!Hydroxidion) (!Chloridion) (!Carbonation)

Welche Rolle übernimmt Ammoniak bei seiner Reaktion mit Wasser? (Protonenakzeptor) (!Protonendonator) (!Indikator) (!Katalysator)

Welche Teilchen bilden ein korrespondierendes Säure-Base-Paar? (NH4+ und NH3) (!HCl und H3O+) (!H2O und Cl-) (!Na+ und OH-)

Was ist ein Ampholyt? (Ein Teilchen, das Protonen aufnehmen und abgeben kann) (!Ein Teilchen, das nur Protonen abgibt) (!Ein Teilchen, das nur Elektronen aufnimmt) (!Ein Stoff ohne chemische Reaktivität)

Welche Teilchen reagieren bei der Neutralisation direkt zu Wasser? (Oxoniumionen und Hydroxidionen) (!Natriumionen und Chloridionen) (!Ammoniumionen und Chloridionen) (!Wassermoleküle und Elektronen)

Woran erkennst Du die korrespondierende Base einer Säure? (Sie besitzt ein Proton weniger) (!Sie besitzt ein Neutron mehr) (!Sie hat immer die Ladung null) (!Sie enthält immer Sauerstoff)

Memory

Protonendonator	Brønsted-Säure
Protonenakzeptor	Brønsted-Base
Protolyse	Protonenübertragung
Oxoniumion	H3O+
Hydroxidion	OH-
Ampholyt	Protonenaufnahme und Protonenabgabe

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Chlorwasserstoff	Protonendonator in der Reaktion mit Wasser
Wasser	Protonenakzeptor bei der Reaktion mit Chlorwasserstoff
Ammoniak	Protonenakzeptor in der Reaktion mit Wasser
Ammoniumion	Korrespondierende Säure zu Ammoniak
Chloridion	Korrespondierende Base zu Chlorwasserstoff

Kreuzworträtsel

Donator	Wie heißt ein Teilchen, das ein Proton abgibt?
Akzeptor	Wie heißt ein Teilchen, das ein Proton aufnimmt?
Protolyse	Wie nennt man eine Protonenübertragungsreaktion?
Oxoniumion	Welches Ion entsteht, wenn Wasser ein Proton aufnimmt?
Ampholyt	Wie heißt ein Teilchen, das als Säure und Base wirken kann?
Neutralisation	Wie heißt die Reaktion von Oxoniumionen mit Hydroxidionen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine Brønsted-Säure wirkt als . Eine Brønsted-Base wirkt als . Die Übertragung eines Protons heißt . Nimmt Wasser ein Proton auf, entsteht ein . Gibt Wasser ein Proton ab, entsteht ein . Zwei korrespondierende Säure-Base-Teilchen unterscheiden sich um genau ein . Ammoniak bildet nach der Protonenaufnahme das . Ein Teilchen mit Säure- und Basefunktion heißt .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Merksatz: Gestalte eine Lernkarte mit dem Satz „Säuren geben Protonen ab, Basen nehmen Protonen auf“ und ergänze je ein Beispiel.
2. Teilchenmodell: Zeichne die Protonenübertragung von Chlorwasserstoff auf Wasser mit farblich markiertem Proton.
3. Säure-Base-Paare: Finde in drei vorgegebenen Reaktionsgleichungen die korrespondierenden Paare und begründe Deine Zuordnung.
4. Alltagsstoffe: Recherchiere fünf saure oder basische Alltagslösungen und ordne ihnen typische Anwendungen zu.

Standard

1. Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Video, in dem Du Protonendonator und Protonenakzeptor an einem Beispiel erklärst.
2. Ampholyt: Erstelle ein Schaubild, das zeigt, wie Wasser einmal als Säure und einmal als Base reagiert.
3. Indikatorversuch: Plane einen sicheren Schulversuch mit Rotkohlsaft oder Universalindikator und formuliere eine begründete Erwartung.
4. Fehleranalyse: Korrigiere die Aussage „Jede Base enthält Hydroxidionen“ mithilfe von Ammoniak als Gegenbeispiel.

Schwer

1. Reaktionsvergleich: Vergleiche die Reaktionen von HCl und Essigsäure mit Wasser und erkläre die unterschiedliche Gleichgewichtslage.
2. Experimentauswertung: Werte eine selbst erstellte Messreihe mit pH-Werten aus und leite Aussagen über saure, neutrale und basische Lösungen ab.
3. Interview: Befrage eine Fachkraft aus Labor, Umwelttechnik oder Lebensmittelchemie zur Bedeutung von Säure-Base-Reaktionen und dokumentiere die Ergebnisse.
4. Unterrichtsprojekt: Entwickle eine Stationenarbeit mit Modellen, Gleichungen, Indikatoren und einer Transferaufgabe zu Protonenübertragungen.

Lernkontrolle

1. Reaktionsanalyse: Erkläre an der Gleichung $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$, weshalb Wasser hier als Säure wirkt.
2. Kontextabhängigkeit: Begründe, warum ein Stoff nicht unabhängig von seinem Reaktionspartner immer dieselbe Säure-Base-Rolle besitzen muss.
3. Modellkritik: Beurteile die Aussage „In einer Säurelösung schwimmen freie Protonen“ und formuliere eine fachlich passende Erklärung für wässrige Lösungen.
4. Transfer: Leite für die Reaktion von Essigsäure mit Ammoniak die Produkte und die korrespondierenden Säure-Base-Paare her.
5. Neutralisation: Erkläre auf Teilchenebene, warum sich die sauren und basischen Eigenschaften bei der Reaktion von Oxonium- und Hydroxidionen abschwächen.
6. Versuchsplanung: Entwirf ein Vorgehen, mit dem Du unbekannte Lösungen mithilfe eines Indikators grob als sauer, neutral oder basisch einordnen kannst.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. Protonendonatoren und Protonenakzeptoren sicher unterscheiden kannst.
2. vollständige Protonenübertragungsreaktionen formulieren und ausgleichen kannst.
3. korrespondierende Säure-Base-Paare erkennst und begründest.
4. die Rolle von Wasser als Ampholyt erklären kannst.
5. Reaktionsgleichungen mit dem Teilchenmodell verknüpfen kannst.
6. Zusammenhänge zwischen Protolyse, pH-Wert, Indikator und Neutralisation darstellen kannst.

OERs zum Thema

1. Säure-Base-Konzepte auf Wikipedia
2. LEIFIchemie zur Brønsted-Lowry-Theorie
3. Freie Medien zu Säure-Base-Reaktionen auf Wikimedia Commons

Verknüpfte Lernbereiche

Protonendonatoren und Protonenakzeptoren - Chemie Säure-Base-Reaktion Brønsted-Lowry-Konzept Protolyse Korrespondierendes Säure-Base-Paar Ampholyt pH-Wert Säure-Base-Indikator Neutralisation